PCB의 기판 도금과 두께를 선택하는 방법

기판이 표준 PCB 제조 프로세스를 거친 후에는 PCB의 베어 구리에 표면 마감 처리를 할 수 있습니다. PCB 도금은 패드, 비아, 기타 전도성 요소 등 솔더 마스크를 통해 노출되는 모든 PCB 내 구리를 보호하기 위해 실시합니다. 많은 경우 설계자는 주석 납(SnPb) 도금을 사용하지만, 다른 도금 옵션이 기판 용도에 더 적합할 수도 있습니다.

이 문서에서는 여러 PCB 도금 재료 옵션을 소개하고, 각 옵션이 PCB에 어떤 장점을 제공하는지 살펴보겠습니다. 여러 옵션 중에서 선택할 수 있으며, 필요한 신뢰성이나 응용 분야에 따라 제조업체가 설계에 필요한 도금을 실시할 수 있는지 확인해야 합니다. 이러한 여러 옵션을 살펴보고, 도금이 손실에 어떤 영향을 주는지 간략하게 알아보겠습니다.

PCB 도금의 유형

PCB 도금에는 여러 종류가 있습니다. 아래 섹션에 설계자가 알아두고 이해해야 할 많이 사용되는 재료를 정리해두었습니다. 이러한 옵션을 제공하지 않는 제조업체는 본 적이 없습니다. 협력할 제조업체가 아래 목록의 옵션 중 하나를 제공한다고 명시적으로 밝히지 않은 경우, 해당 제조업체에 이메일을 보내 PCB 도금 재료 옵션 등 가능한 옵션의 목록을 보내달라고 요청하면 됩니다.

주석 납(SnPb) 및 무전해 주석

이 PCB 표면 마감은 가장 저렴한 옵션이지만, 도금 마감에 납이 사용되었으므로 RoHS를 준수하지 않습니다. 무전해 주석은 보급형 기판에 사용할 수 있는 무연 대체품입니다.

HASL(Hot-air Solder Leveling) 및 무연 HASL

이전부터 HASL은 표면 마감재로 널리 사용되었으나, 다른 도금 재료만큼 신뢰성이 높지는 않습니다. HASL은 저렴하며 무연 옵션으로 제공되므로, 보급형 도금 옵션으로 사용할 수 있습니다.

ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold)

SnPb와 무전해 주석의 단점을 감안하면 현재 ENIG가 업계에서 가장 널리 사용되는 표면 마감재입니다. ENIG의 경우 니켈이 컴포넌트가 납땜되는 얇은 금 표면 레이어와 구리 사이의 장벽 레이어 역할을 합니다.

OSP(Organic Solderability Preservative)

이 유기적 수성 표면 마감재는 구리에 선택적으로 결합하여 매우 평탄한 표면 마감을 제공합니다. 유기 재료로서 취급 및 오염 물질에 민감하지만 다른 PCB 도금 재료에 비해 적용 공정이 간단합니다. 또한 고주파에서도 손실이 매우 적습니다.

무전해 은

제가 고주파 애플리케이션에 가장 적합하다고 생각하는 PCB 도금 재료입니다. 이 재료는 베어 구리에 비해 매끄러운 인터페이스를 형성하므로 다른 PCB 표면 마감재보다 도체 손실이 적습니다. 제일 큰 단점은 베어 기판에 변색을 초래하는 것이므로, 제조 후 즉시 납땜하고 패키징해야 합니다.

ENEPIG(Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold)

ENEPIG는 도금에 직접 와이어 본딩 가능한 구리-니켈-팔라듐-금 레이어 구조를 지닙니다. 마지막 금 레이어는 ENIG와 마찬가지로 매우 얇습니다. 금 레이어는 ENIG와 마찬가지로 연성이므로, 과도한 기계적 손상이나 깊은 긁힘으로 인해 팔라듐 레이어가 노출될 수 있습니다.

경질 금

경질 금은 기본적으로 ENIG이지만, 외부 레이어가 매우 두꺼운 금으로 되어 있어 가장 비싼 PCB 도금 재료에 속합니다. 금 레이어는 손상될 수는 있는 단단한 표면이지만, 두껍기 때문에 니켈 레이어가 완전히 노출되기는 어렵습니다.

ENIG는 위의 모든 옵션 중 비용, 내구성과 적용 범위 측면에서 가장 균형적입니다. 항상 빠른 에지 속도(예: SPI 또는 12C)에서 실행되지는 않는 대다수의 저주파 아날로그 시스템 또는 디지털 시스템의 경우에는 ENIG를 도금 재료로 선택하게 됩니다(IPC 3등급 준수를 충족해야 하는 고신뢰성 시스템 포함). ENIG는 밀도 높은 BGA 또는 QFN 패키지의 패드에도 적합합니다. 일부 애플리케이션에서는 위의 대체 도금 재료가 더 적합하기도 합니다. 무전해 은 또는 OSP는 RF 시스템에 가장 적합하며, 무연 규정만 준수해야 하는 일회용(1등급) 제품의 경우 무전해 주석으로도 충분합니다. 초고속 디지털과 RF처럼 보다 전문적인 애플리케이션의 경우 두께가 매우 중요합니다. 이에 관해서는 아래에서 자세히 설명하겠습니다.

PCB 도금 재료 및 두께 지정 방법

일반적인 PCB 도금 두께 값은 100마이크로인치 정도입니다. 무전해 은과 OSP의 경우, 일반적인 두께는 10마이크로인치 정도로 얇을 수 있습니다. PCB 도금의 유형과 두께를 지정하려면 제조 노트에 포함하기만 하면 됩니다(아래 예 참조). 프로토타입을 생산하고자 하며 제조업체에게 표준 견적 양식이 있는 경우, 양식에 도금 유형을 지정할 수 있습니다. 이러한 양식에는 두께가 포함되지 않을 수 있으므로, 특정한 두께가 필요하다면 이를 반드시 지정하세요. 여러분이 필요한 도금값을 지정한 후에는 도금이 필요한 두께로 안정적으로 증착될 수 있도록 하는 것은 제조업체의 몫입니다.

도금 재료의 두께가 중요한 이유는 무엇일까요? 두 가지 이유가 있습니다. 첫째, IPC-2221A 표준은 각 IPC 제품 등급에 대한 최소 도금 두께를 규정합니다(표 4.3 참조. 제 사이트의 이 링크에서 이 표준 사본을 다운로드할 수 있습니다). 제품이 IPC 제품 등급을 준수하려면 도금 두께가 해당 등급의 사양을 충족해야 합니다. 보통 제조 노트에 제품 등급을 지정하는 경우 이를 통해 최소 도금 두께를 파악할 수 있습니다. 지정한 제품 등급의 최소 도금 두께와 다른 두께를 지정하지 않도록 하세요. 그렇지 않으면 제조업체가 이메일을 보내 도금 노트에 대해 질문할 수밖에 없습니다.

PCB 도금 두께가 중요한 또 다른 이유는 도금 두께가 손실에 영향을 주기 때문입니다. 저주파에서는 주파수에 대한 영향이 느껴지지 않으므로, 저속 디지털 신호 및 서브 GHz 라디오는 PCB 도금 두께에 크게 신경쓰지 않아도 됩니다. 저는 ENIG(고주파에 최적인 옵션은 아닙니다)를 사용하여 5.8GHz WiFi에서 작동하는 맞춤 인쇄 이미터를 제작했는데, 이 이미터는 테스트 설정에서 수신기에 충분한 신호를 전달했습니다. 따라서 회로를 올바르게 설계했다면 이러한 주파수에서는 대다수의 도금으로도 충분합니다.

손실 문제는 단거리 레이더(24GhZ) 이상의 mmWave 주파수에서 발생합니다. 이러한 주파수에서는 구리의 거칠기가 손실에 크게 기여합니다. 이는 특히 Rogers와 같은 저손실 RF 기판에서 더욱 두드러집니다. 도금 두께는 확산 시 신호가 부딪히는 거칠기의 양을 결정합니다. 이는 표피 효과 저항으로 나타납니다. 예시 결과는 이 문서에 명시된 John Coonrod의 결과, 특히 삽입 손실을 나타내는 그래프를 참조하세요. 보시다시피 거친 도금의 양이 많으면 손실이 커질 수 있습니다. 편의를 위해 마이크로 스트립에 관한 그래프를 아래에 재현해 보았습니다.

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